Большая Советская Энциклопедия (ДА)
Шрифт:
В природе статические Д. в. существуют в первую очередь благодаря действию тяготения (гравитации). Гравитационное поле Земли создаёт в горных породах статическое давление, изменяющее от атмосферного в поверхностных слоях до ~ 3,5•103кбар в центре планеты. Большая часть Земли находится под действием статического Д. в. и высоких температур, достаточных для изменения физических и химических свойств минералов и минерального состава горных пород (рис. 1 ). Статическое Д. в. в центре Солнца составляет ~ 107 кбар, а в центре звёзд белых карликов оно предполагается равным 1010 —1012кбар.
В технике Д. в. до 3 кбар были получены при сгорании пороха в огнестрельном оружии ещё в 13—14 вв. Статические Д. в. такого же порядка были достигнуты с помощью насосов и прессов только во 2-й половине 19 в.
Значительно усовершенствовались методы получения Д. в. в 20 в., в частности в результате работ П. У. Бриджмена . Особенно широко исследования при Д. в. развернулись после 2-й мировой войны. В СССР центром исследований при статическом Д. в. является Институт физики высоких давлений АН СССР (см. Физики высоких давлений институт ).
Благодаря развитию техники Д. в., опирающейся на успехи машиностроения и металлургии, а также на достижения в создании и применении взрывчатых веществ, к концу 1960-х гг. получены статические Д. в. до ~ 2•103кбар и динамические до 104 кбар (рис. 2 ), а при подземных взрывах до ~3 (104 кбар.
Область применений Д. в. очень широка. В сочетании с высокой температурой Д. в. используются в металлургии (прокатка, ковка, штамповка, горячее прессование), в керамическом производстве, при синтезе и обработке полимеров и в др. отраслях промышленности. При Д. в. синтезируют вещества и осуществляют химические реакции, которые в иных условиях затруднены или невозможны, например синтез аммиака (до 1 кбар, 400°C), синтез метилового спирта (до 0,5 кбар, 375°C), гидрогенизация углей (до 0,7 кбар, 500°C) и др. Большое промышленное значение имеет гидротермальный синтез крупных и совершенных кристаллов кварца (~1 кбар, несколько сотен град.), применяемых как сырьё для оптических изделий и пьезоэлектрических датчиков .
Интерес к физике и химии Д. в. стимулируется потребностями современной техники в материалах со специальными свойствами (в частности, абразивных, полупроводниковых и др.), а также потребностями в создании прогрессивных методов обработки металлов (см., например, Прессование ). Многие направления исследований при Д. в. определяются интересами теории твёрдого тела и геофизики, развитие которых связано с получением новых экспериментальных данных о свойствах веществ при сжатии их до состояний с высокой плотностью.
К наиболее известным достижениям физики и химии Д. в. 2-й половине 20 в. в области статических давлений относится имеющее большое научное и практическое значение искусственное получение алмаза (выше 50 кбар и 1400°C), синтез боразона (выше 40 кбар и 1400°C) — соединения, по твёрдости близкого к алмазу, а также получение плотных кристаллических модификаций кремнезёма (5102) — коусита (от 35 кбар и 750°C и выше) и стишовита (от 90 кбар, 600°C и выше), представляющих большой интерес для наук о Земле. В области динамического Д. в. — мирное и военное использование взрыва , исследование изменения плотности и фазовых переходов
Поведение веществ в условиях Д. в. Непосредственным результатом действия Д. в. является сжатие вещества (увеличение его плотности). Под Д. в. энергетически выгодным становится то направление физических и химических процессов, которое ведёт к уменьшению объёма всех взаимодействующих веществ (при условии сохранения их массы, см. Ле Шателье — Брауна принцип ).
Д. в. влияет и на скорость (кинетику) физических и химических процессов, причём Д. в. может их как ускорять, так и замедлять. Ускорение некоторых химических реакций наблюдается, например, в газах (благодаря увеличению частоты столкновений между молекулами в результате увеличения плотности), а замедление, например, некоторых фазовых превращений — в сплавах (из-за уменьшения скорости диффузии, уменьшения равновесной концентрации вакансии и т. д.). Поэтому многие практические важные процессы при Д. в. проводятся при высокой температуре, которая увеличивает подвижность частиц и тем самым ускоряет достижение равновесного состояния.
При сжатии вещества действующие на него извне силы давления совершают механическую работу и увеличивают тем самым энергию тела — внутреннюю, если не происходит теплообмена с окружающей средой (изоэнтропийный процесс , сопровождающийся нагреванием тела), или свободную, если температура сжимаемого тела не меняется (изотермический процесс). На практике к изотермическим часто относят процессы статического сжатия, при которых температуру тела можно считать постоянной. Если в результате сжатия температура тела повышается, то в нём развивается большее давление, чем при изотермическом сжатии (при одинаковых начальных условиях и одинаковой степени сжатия, т. е. относительной плотности).
Давление в газах имеет тепловое происхождение: оно связано с передачей импульса находящимися в тепловом движении молекулами (при их столкновениях). В конденсированных фазах (жидкостях, твёрдых телах) различают упругую и тепловую составляющие Д. в. Первая, называемая «холодным» давлением (px ), связана с упругим взаимодействием частиц при уменьшении объёма тела, а вторая — с их тепловым движением, обусловленным повышением температуры при сжатии. При статическом сжатии тепловая составляющая много меньше упругой, при сжатии в сильной ударной волне обе составляющие сравнимы по величине, их сумму называют «горячим» давлением (pr ).
Уменьшение межатомных (межмолекулярных) расстояний при сжатии приводит в конечном счёте к деформации молекул и внешних электронных оболочек атомов, к изменению характера межатомных взаимодействий, что неизбежно сказывается на физических и химических свойствах вещества. Например, при статическом сжатии в пределах нескольких кбар или первых десятков кбар изменяются условия взаимной растворимости газов (см. Растворы ); плотность газов сравнивается с плотностью жидкостей, жидкости затвердевают (при комнатной температуре и давлении до 30—50 кбар ); многие кристаллические вещества испытывают превращения с образованием новых кристаллических форм (полиморфные превращения); наблюдаются переходы твёрдых диэлектриков и полупроводников в металлическое состояние и т. д.
Когда плотность вещества становится в 10 и более раз выше плотности твёрдых тел при нормальных условиях, что соответствует давлению ~ 1012кбар, зависимость плотности r от «холодного» давления приближается к предельной и для всех веществ оказывается одинаковой: r5/3~px . В принципе, при столь высоких давлениях ядра полностью ионизованных атомов могут сближаться и, преодолев потенциальный барьер , вступать в ядерные реакции .